第二章_光纤传输理论及传输特性(2011)

1、纤芯包层125m涂覆层250m无论何种光纤，其包无论何种光纤，其包层直径都是一致的层直径都是一致的涂覆层的主要作用涂覆层的主要作用是为光纤提供保护是为光纤提供保护纤芯和包层仅在折射纤芯和包层仅在折射率等参数上不同，结率等参数上不同，结构上是一个完整整体构上是一个完整整体Ob/2aab/2n1n2n0n1n2rnOb/2aab/2n1n2n0n1n2rn类型折射率分布纤芯直径(um)包层直径(um)材料A1a渐变折射率50125二氧化硅A1b渐变折射率62.5125二氧化硅A1c渐变折射率85125二氧化硅A1d渐变折射率100140二氧化硅A2a阶跃折射率100140二氧化硅A2b阶跃折射率2

2、00240二氧化硅A2c阶跃折射率200280二氧化硅A3a阶跃折射率200300二氧化硅芯塑料包层A3b阶跃折射率200380二氧化硅芯塑料包层A3c阶跃折射率200430二氧化硅芯塑料包层A4a阶跃折射率980-9901000塑料A4b阶跃折射率730-740750塑料A4c阶跃折射率480-490500塑料类型类型名称名称材料材料标称工作波长标称工作波长(nm)(nm)B1.1B1.1非色散位移非色散位移二氧化硅二氧化硅1310 1310 ，15501550B1.2B1.2截止波长位移截止波长位移二氧化硅二氧化硅15501550B2B2色散位移色散位移二氧化硅二氧化硅15501550B3

3、B3色散平坦色散平坦二氧化硅二氧化硅1310 1310 ，15501550B4B4非零色散位移非零色散位移二氧化硅二氧化硅1540 1540 15651565l 多模光纤光缆和单模光纤光缆多模光纤光缆和单模光纤光缆l 中心束管、层绞、骨架和带状中心束管、层绞、骨架和带状l 金属加强件、非金属加强、铠装金属加强件、非金属加强、铠装l 长途长途/ /室外、室内、水下室外、室内、水下/ /海底等海底等l 架空、管道、直埋和水下架空、管道、直埋和水下层绞式层绞式中心束管式中心束管式带状式带状式微束管室内室外光缆适合大楼和多层住宅楼的管道引入使用，适合室微束管室内室外光缆适合大楼和多层住宅楼的管道引入使

4、用，适合室内和室外两种环境，芯数一般为内和室外两种环境，芯数一般为12123232。微束管松套光纤为半干式结构，。微束管松套光纤为半干式结构，便于室内光缆分支和施工。便于室内光缆分支和施工。与分支型室内布线光缆类似，还有一种束状室内布线光缆，使用与分支型室内布线光缆类似，还有一种束状室内布线光缆，使用0.9mm0.9mm紧套光纤，干式结构，纤芯密度高，重量轻。紧套光纤，干式结构，纤芯密度高，重量轻。分支型室内布线光缆采分支型室内布线光缆采用单芯子单元光缆结构，适用单芯子单元光缆结构，适合在大楼竖井内中长距离上合在大楼竖井内中长距离上的多处分纤终端，每条光缆的多处分纤终端，每条光缆子单元均可用现

5、场连接器直子单元均可用现场连接器直接与终端相连接。光缆为全接与终端相连接。光缆为全介质结构，具有优良的防火介质结构，具有优良的防火阻燃性能。抗拉强度和防火阻燃性能。抗拉强度和防火等级满足室内垂直等级满足室内垂直/ /水平布线水平布线光缆的等级要求。芯数有光缆的等级要求。芯数有4/6/8/12/244/6/8/12/24多种。多种。室内室内“8 8”字布线光缆又称为蝶形入户光缆或皮线光缆，是应用于字布线光缆又称为蝶形入户光缆或皮线光缆，是应用于FTTxFTTx的专用光缆，特别适合穿过楼内各种管道，适应楼内复杂的敷设和应的专用光缆，特别适合穿过楼内各种管道，适应楼内复杂的敷设和应用环境。光缆采用小

6、弯曲半径光纤，具有优良的抗弯性能。无需工具即可用环境。光缆采用小弯曲半径光纤，具有优良的抗弯性能。无需工具即可剥开光缆，施工安全可靠，可如同铜缆施工一样对待，不宜出现施工故障。剥开光缆，施工安全可靠，可如同铜缆施工一样对待，不宜出现施工故障。能与多种现场连接器匹配，可现场成端。能与多种现场连接器匹配，可现场成端。 入入反反12sinsinnn 入入折折 入入 反反 折折第第1种媒质（种媒质（n1）分界面分界面第第2种媒质（种媒质（n2）n1n2法线法线反射定律：反射定律：入射角入射角入入反射角反射角反反折射定律：折射定律：n1sin 入入n2sin 折折入入 反反折折入射光线入射光线折射光线折

7、射光线反射光线反射光线第第1种媒质（种媒质（n1）分界面分界面第第2种媒质（种媒质（n2）n1n2法线法线折射光线折射光线反射光线反射光线入射光线入射光线全反射定律：全反射定律：当入射角度增大到某一角当入射角度增大到某一角度时，折射角可以获得最度时，折射角可以获得最大值大值9090，此时可认为无，此时可认为无折射光存在，所有的入射折射光存在，所有的入射光都被反射，称为全反射光都被反射，称为全反射现象，满足全反射现象的现象，满足全反射现象的最小角度称为全反射的临最小角度称为全反射的临界角界角 C C。C光纤轴光纤轴线方向线方向纤芯（纤芯（n1）包层（包层（n2）n1n2思考：如果光纤发生弯曲思考

8、：如果光纤发生弯曲或形变会有什么结果？或形变会有什么结果？此处亦有折射现象，如何此处亦有折射现象，如何由光纤内部的全反射条件由光纤内部的全反射条件推导处此处的入射条件？推导处此处的入射条件？（入射角（入射角/接收角）接收角）空气（空气（n0） 子午光线是平子午光线是平面曲线面曲线 偏射光线是空偏射光线是空间曲线间曲线2212112211210sinsinsin2annnnnn 220121sin2aNAnnnn 2a 2222012sin1.521.490.30annn 00234.922arcsin(0.30)ann 234.92a 226.26a xyzaaaxyz 2222222xyz

9、0u0A 2AAA 0B 0D DHt BEt E H D B DE BH rn r 0()EHt 202EEt 2202()EEEt 利用矢量恒等式利用矢量恒等式2()EEE ()0DEEE 由由2-4式得式得EE 2202()EEEt 22020EEt 同理可得式同理可得式212（2-11）对对2-2式两边取旋度：式两边取旋度：HjEEjH0 E0 H022EkE022HkH2k 01rccn 022 ccnfnn 0022knnk 0000( , )exp ()EEx yjtz 0( , )exp ()HHx yjtz ()()()yyzzxxxyzyzxxyzHHHHHHaaayzzx

10、xyEEEaaattt ()()()yyzzxxxyzyzxxyzEEEEEEaaayzzxxyHHHaaattt 2()zzxHEjEKyx 2()zzyEHjEKyx 2()zzxHEjHKxy 2()zzyHEjHKyx 222Kk 22k 022222zzzEKyExE022222zzzHKyHxH022zzTEKE022zzTHKH22222yxT21()zzrEHjEKrr 2()zzEHjEKrr 21()zzrHEjHKrr 2()zzHEjHKrr 222222110zzzzEEEK Errrr 222222110zzzzHHHK Hrrrr arbarbn1n2纤芯包层界面

11、包层空气界面抽象和简化022222221()0zzzd EdEmn kEdrr drr 022222221()0zzzd HdHmn kHdrr drr 1()( )mzmurJaEAJu 1()( )mzmurJaHBJu 2()()mzmWrKaECKW 2()()mzmWrKaHDKW 22 1/21()ua k 22 1/22()Wak 2222222120()VuWannk 22012012Vaknnak n 121nnn 22224122440( )()( )()( )()( )()mmmmmmmmJuKWJuKWnnmVuJuWKWu JuW KWku W 12222200001

12、2()kVuWaknnc ，a1n22012Vaknn uW22 1/21()ua k 22 1/22()Wak uW a) HE11 (基模基模) b) TE011211nnn m=0m=1LP模u(Vc)值范围矢量模简并度总模数LP0102.4048HE1122LP112.40483.8317TE01，TM01，HE2146LP023.83175.1356HE1228LP213.83175.1356HE31，EH11412LP315.13565.5201HE41，EH21416LP125.52012.3802TE02，TM02，HE22420LP412.38027.0156HE51，EH3

13、1424LP037.04157.5883HE13226LP227.01567.5883HE32，EH12430LP517.58838.4172HE61，EH41434221222.405aVnn c 22122(m)2.4048ca nn ( )10lgioPAP 10( )lgioPLP ( )A ( ) ( ) 本征吸收（材料本身）本征吸收（材料本身）非本征（杂质）非本征（杂质）41/ (dB/km)(nm)1300140015001600瑞利散射紫外吸收红外吸收85013101550D 0 1gggNtVC 212md nDC d mmD L 22w2()nd VbDVCdV 22332

14、2/4/Scc SdD d PMD（ps/km1/2）最大传输距离（最大传输距离（km）2.5Gbit/s10Gbit/s40Gbit/s3.01801111.0160010060.56400400250.116000010000625D(ps/kmnm)(nm)-10-50+5+10总色散材料色散波导色散111max212(1)LnnLnttcnc dBPfPc312/1lg10)0()(lg10dBIfIc612/1lg20)0()(lg2022(/) ln2() /ln211( )()ln 2cLcLffftcLh tFHfFef e cLcffL 性能模场直径(m)截止波长(nm)零色

15、散波长(nm)工作波长(nm)衰减系数(dB/km)色散系数(ps/nmkm)1310nm1310nm 1550nm1310nm 1550nm要求值9126013101310/15500.36 0.220 +18 G.652 G.652光纤又称为常规单模光纤或标准单模光纤光纤又称为常规单模光纤或标准单模光纤（STD SMFSTD SMF），被广泛应用于数据通信和图像传输。在），被广泛应用于数据通信和图像传输。在1310nm1310nm窗口处有零色散。在窗口处有零色散。在1550nm1550nm窗口处有较大的色窗口处有较大的色散，达散，达+18ps/+18ps/nmkmnmkm。 性能模场直径(

16、m)截止波长(nm)零色散波长(nm)工作波长(nm)衰减系数(dB/km)色散系数(ps/nmkm)1310nm1310nm 1550nm1310nm 1550nm要求值8.3 1270 1550 1550 0.45 0.25 -18 0 G.653 G.653光纤又称为色散位移光纤（光纤又称为色散位移光纤（DSFDSF），将在），将在1310nm1310nm附近的零色散点，移至附近的零色散点，移至1550nm1550nm波长处，使其在波长处，使其在1550nm1550nm波长处的衰减系数和色散系数均很小。主要用于单波长处的衰减系数和色散系数均很小。主要用于单信道长距离海底或陆地通信干线，其

17、缺点是不适合波分复信道长距离海底或陆地通信干线，其缺点是不适合波分复用系统。用系统。性能模场直径(m)截止波长(nm)零色散波长(nm)工作波长(nm)衰减系数(dB/km)色散系数(ps/nmkm)1310nm1310nm 1550nm1310nm 1550nm要求值10.5 1530 131015500.45 0.20 0 +18 G.654 G.654光纤又称为光纤又称为15501550nmnm损耗最小光纤，它在损耗最小光纤，它在15501550nmnm处衰减系数很小，处衰减系数很小，0.2dB/km0.2dB/km，光纤的弯曲性能，光纤的弯曲性能好。主要用于无需插入有源器件的长距离无再

18、生海底光缆好。主要用于无需插入有源器件的长距离无再生海底光缆系统。其缺点是制造困难，价格贵。系统。其缺点是制造困难，价格贵。性能模场直径(m)截止波长(nm)零色散波长(nm)工作波长(nm)衰减系数(dB/km)色散系数(ps/nmkm)1310nm1310nm 1550nm1310nm 1550nm要求值811 1480 15401565 15401565 0.5 0.24 -18 1|D|4 G.655 G.655光纤称为非零色散位移光纤（光纤称为非零色散位移光纤（NZ DSFNZ DSF）。）。G.655 G.655 光纤在光纤在15501550nmnm波长处有一低的色散（但不是最小），能有波长处有一低的色散（但不是最小），能有效抑制效抑制“四波混频四波混频”等非线性现象。适用于速率高于等非线性现象。适用于速率高于10Gb/s10Gb/s的使用光纤放大器的波分复用系统。的使用光纤放大器的波分复用系统。性能模场直径(m)截止波长(nm)零色散波长(nm)工